Kolaps kavitačních struktur a mraku kavitačních bublin

1 Přehled o současném stavu problematiky

1.6 Kolaps kavitačních struktur a mraku kavitačních bublin

Kavitační oblast může být tvořena kavitačními strukturami různých tvarů a velikostí. Příkladem může být kavitace v turbínách, u nichž se setkáváme s různými tvary vírového copu v sací troubě.

Studiu kavitační oblasti vznikající na hydraulickém profilu NACA 4412 pro různé úhly náběhu se věnoval Kermeen (1956). Na obrázku 1.15, pro úhel náběhu profilu 0 º, rychlost proudění 13,7 m·s^-1 a kavitační číslo σ = 0,3 vidíme kavitační strukturu tvořenou velkými kavitačními bublinami (dutinami) a mraky kavitačních bublin. Jejich množství a rozměry nabývají širokého rozsahu hodnot. Tvary mohou být rovněž různé a ovlivněné okolní asymetrií.

Obrázek 1.15: Kavitační oblast na hydraulickém profilu NACA 4412 (Kermeen, 1956)

Kolaps kavitačních struktur je i v tomto případě ovlivněn vyskytující se asymetrií, která se výrazně projevuje v případě kolapsu mraku kavitačním bublin. U nich totiž dochází ke

společnému (kolektivnímu) kolapsu velkého množství bublin, který je více intenzivní a zároveň narůstá potenciál kavitačního poškození (Bark a Berlekom, 1978; Soyama et al., 1992; Reisman et al. 1994). Mechanismus se snažil vysvětlit Morch (1980, 1981) a numericky později Wang a Brennen (1995) na základě teorie fokusování tlakových vln od kolapsů jednotlivých bublin, tvořících mrak bublin. Wang a Brennen (1995) se zabývali numerickou studií dynamiky a kolapsu kulového mraku kavitačníchbublin v nestlačitelné tekutině. V tomto případě byl kulový kavitační mrak tvořen rovnoměrně rozloženými vzduchovými bublinkami o počátečním poloměru R0 = 100 µm o jejich různých objemových zlomcích a pro různá kavitační čísla. Výsledky ukázaly, že růst kulového mraku bublin je podobný růstu odpovídajícímu růstu osamocené kulové bubliny, nicméně s tím, že bubliny uvnitř mraku jsou chráněny bublinami na povrchu, proto rostou pomaleji a dosahují menších maximálních poloměrů. Při velkých objemových podílech je růst jednotlivých bublin silně ovlivněn přítomností okolních bublin a dochází k rovnoměrnému růstu vnitřních bublin na podobné maximální rozměry. Bubliny na povrchu kulového mraku obecně dosahovaly větších maximálních poloměrů než bubliny uvnitř mraku. Rozložení velikostí bublin, objemový podíl bublin v mraku bublin a délkové měřítko oblasti nízkého tlaku, představující buzení mraku bublin, vede na rozdílný mechanismus kolapsu. První typ mechanismu kolapsu nastává v případě velkých objemových zlomků bublin uvnitř mraku bublin a pro délkové měřítko oblasti nízkého tlaku blízkého velikosti mraku bublin. Při prvním typu mechanismu kolabují nejdříve bubliny na povrchu mraku a kolaps se fokusuje směrem do středu kulového mraku a emitovaná tlaková vlna značně zesiluje. Druhý typ mechanismu kolapsu nastane v případě malého objemového zlomku bublin uvnitř kulového mraku a pro velké hodnoty délkového měřítka oblasti nízkého tlaku oproti velikosti mraku bublin. V tomto případě dosahují bublinky uvnitř mraku opět menších maximálních poloměrů a zároveň v důsledku délkového měřítka oblasti nízkých tlaků kolabují dříve než bublinky na okrajích. Kolaps se šíří směrem od středu a nedochází k zesílení tlakové vlny. Výsledný účinek je proto menší než v prvním případě.

Třetí typ mechanismu kolapsu je charakteristický pozicí počátku kolapsu, která se nachází v oblasti mezi středem a okrajem mraku bublin a šíří se v tentýž okamžik radiálně do středu a ven od středu. Tyto dvě oblasti kolabují, ale jen pro vnitřní oblast dochází k zesílení účinku, nicméně slabšího než pro první vzor.

Kapitola 2

Generování kavitačního mraku a metody studia kavitace

Kavitační bubliny, mraky kavitačních bublin a jejich struktury přirozeně vznikají v hydraulických strojích a zařízeních, ale lze je generovat i uměle v testovacích zařízeních. Kavitace a doprovodné jevy je potom možné studovat přímo v hydraulickém stroji či zařízení, nebo v testovacím zařízení. Přirozeně vznikající kavitace se studuje hlavně v kavitačních tunelech. Pro testování kavitační odolnosti materiálů existuje celá řada testovacích zařízení, ve kterých se generuje kavitace uměle a to o extrémních parametrech. Některá z testovacích zařízení jsou, včetně charakteru generovaného kavitačního mraku a kavitační eroze, popsány v této kapitole. Jsou zde rovněž uvedeny některé přístupy a metody, které byly užity ke studiu kavitace na uvedených testovacích zařízeních a které se týkají problematiky disertační práce.

2.1 Kavitační tunel

Kavitační tunel je základní testovací zařízení pro výzkum různých vývojových forem kavitace (vznikající, vyvinutá, …) pro různé provozní podmínky a geometrie hydraulického profilu.

Příkladem může být kavitační tunel společnosti Sigma Group a.s. v Lutíně, jehož testovací sekce, ve které je mrak kavitačních bublin generován a studován, je na obrázku 1.4. Další části tunelu nejsou na obrázku ukázány, ale většinou je kavitační tunel dále tvořen čerpadlem, zásobníkem kapaliny, uklidňovacím zásobníkem kapaliny, uzavíracími ventily, prvky pro řízení turbulence a měřidly (průtokoměry, termočlánky, senzory tlaku). Tunel může být připojen k vývěvě či kompresoru. Ve spolupráci s naší katedrou byl v uvedeném kavitačním tunelu studován vliv různého úhlu natočení lopatky hydraulického profilu NACA 2412 vůči proudu tekutiny na vznik a účinek kolabující kavitační struktury. Na lopatce bylo umístěno několik piezoelektrických senzorů tlaku a za lopatkou byl umístěn hydrofon (měřidlo akustického tlaku v kapalině, na obrázku hnědočervený). Prvním možným přístupem ke studiu kolapsů kavitačních bublin a jejich struktur v blízkosti povrchů je tedy měření jejich účinků senzoricky (dále např. Reisman et al.

1998, Okada et al. 1995, Momma a Lichtarowitz, 1995 a další). Do oblasti, kde dochází ke kolapsům, je umístěn senzor vhodných vlastností a měří se jím účinek od kavitace.

Rijsbergen et al. (2012) studovali kavitaci na hydraulickém profilu NACA 0015 v kavitačním tunelu. Cílem experimentu bylo vyšetřit mechanismus kolapsu vznikajících kavitačních struktur včetně potenciální eroze a jí odpovídající akustické emisi. Při experimentu byly použity dvě vysokorychlostní kamery. První kamera sloužila pro sledování kavitačního mraku z boční strany, druhá kamera pak pro sledování kavitačního mraku shora a zároveň pro sledování poškození tenké vrstvy nátěru, kterou byl hydraulický profil opatřen. Testovací sekce a profil byly osazeny akustickými senzory pro měření akustické emise od kolapsu kavitačního mraku. Autoři získali

záznam kolapsu pro určité podmínky proudění, akustický signál a snímky poškození a na jejich základě popsali studovaný děj.

Reisman et al. (1998) vyšetřovali experimentálně tlakové vlny generované mrakem kavitačních bublin v blízkosti hydraulického profilu NACA 0021 s drobnými úpravami geometrie. Schéma měřicí sestavy je na obrázku 2.1. Popisky jsou v anglickém jazyce a nebudou pro svou jednoduchost překládány. Hydraulický profil byl umístěn v hydraulickém tunelu (water tunel, LTWT, Caltech) a osazen piezoelektrickými tlakovými snímači PCB 105B02 (#1 - #4). Za hydraulickým profilem byl umístěn piezoelektrický tlakový snímač PCB HS113A21 (#F) a v téže vzdálenosti byl ve stropu kavitačního tunelu byl umístěn další tlakový snímač PCB HS113A21 (#C, na obrázku nevyznačen). Okolí hydraulického profilu bylo snímkováno vysokorychlostní kamerou s frekvencí 500 Hz. Autoři v práci popisují kavitační struktury a jejich aktivitu v blízkosti hydraulického profilu pro různá kavitační čísla.

Obrázek 2.1: Hydraulický profil a pozice snímačů tlaku (Reisman et al., 1998, s povolením autora) Autoři dále vyhodnotili tlaková měření a synchronizované záznamy z vysokorychlostní kamery pro různé kavitační struktury. Na následujícím obrázku 2.2, na levé části, jsou snímky a záznam ze snímačů tlaku pro rychlost proudění v = 8,5 m.s^-1, kavitační číslo σ = 0,95, úhel náběhu αf = 7º a redukovanou úhlovou frekvenci ωr = 0,71. Voda proudí zprava doleva a náběžná hrana začíná na svislé hraně obrázku. Mezi snímky je časový interval 2 ms. Na pravém obrázku je signál ze snímačů tlaku udávající závislost tlaku v čase. Vertikální osa tlaku je bez počátku s dělením 1 MPa na dílek stupnice. Kolaps kavitační struktury nastal mezi okamžiky (b) a (c), v záznamu signálů v oblasti vyznačenými svislými čarami. Kolaps vygeneroval silný tlakový pulz, zaznamenaný všemi snímači. Zpoždění pulzu v případě snímače #1 a #2 může být vysvětleno přítomností bublin, vyskytujících se na náběžné hraně, které způsobují pokles lokální rychlosti zvuku. Nejsilnější účinek zaznamenal senzor #F. Jedná se o kolektivní kolaps kavitačního mraku. Autoři dále obdobně popisují další režimy, které zahrnují řadu specifických mechanismů kolapsu. Autoři rovněž vyhodnocují akustické impulzy v závislosti na změně parametrů režimů.

Obrázek 2.2: Kavitující struktura a odpovídající záznam signálů (Reisman et al., 1998, s povolením autora)

Druhý možný přístup ke studiu kolapsů kavitačních bublin a jejich struktur v blízkosti povrchů plyne ze skutečnosti, že tato problematika je svou podstatou i výzkumem kavitační eroze, úzce spojené s materiálovými vědami. Samotný průběh kavitační eroze určuje metody výzkumu kavitační eroze, a to na základě významných fází kavitační eroze. Začněme fází s konstantním úbytkem materiálu. V tomto případě se jedná o tzv. test kavitační odolnosti materiálu, kdy je testovaný vzorek vystaven účinkům kavitace po delší dobu (i vícekrát), je silně erodován, dochází k odebírání materiálu a zjišťuje se např. úbytek materiálu v čase (např. Osterman et al., 2009;

Soyama, 2013 a celá řada dalších autorů, neboť se jedná o jeden ze základních kavitačních testů materiálu), nebo profil erodované oblasti (Franc, 2009). Testy kavitační odolnosti materiálu se v kavitačních tunelech většinou z důvodu nízké agresivity kavitačního proudění neprovádějí.

Existují pro ně vhodnější testovací zařízení, jejichž popis bude následovat v dalších oddílech.

Druhou významnou fází kavitační eroze je fáze inkubace, při níž se provádějí pitting testy. Vzorek je v tomto případě vystaven účinkům kavitace po velmi krátkou dobu, během níž vznikají jednotlivé pity (důlky), které se následně analyzují. Materiál přitom není odebírán a tak jednotlivé pity představují pouze jeho plastickou deformaci. Carnelli et al. (2012) z pohledu na individuální geometrii pitu zjistili tlak, který daný pit vytvořil. Reverzně tedy přešli od materiálové deformace k účinku kolapsu. Franc et al. (2012) analýzou spektra pitů na určité zájmové oblasti stanovili vliv materiálu a rychlosti proudění na vznik pitů. Dular a Petkovšek (2015) se věnovali výzkumu kavitačního mraku a vzniku pitu na Venturiho trysce v kavitačním tunelu při různých provozních režimech. Geometrie trysky, kterou Dular a Petkovšek (2015) ve své práci použili, je na levé části obrázku 2.3. Směr proudění je vyznačen šipkou s popiskem „Flow“. Na Venturiho trysce byla oboustrannou páskou přilepena 10 µm tenká hliníková folie pro provedení pitting testu. Pomocí záznamu z vysokorychlostních kamer autoři určili tři vzory kolapsu a k nim přiřadili kavitační erozi ve smyslu určení velikosti plochy pitu a odhadu odpovídajícího tlaku pro jeho vytvoření.

Jedním ze vzorů je tzv. „twister“ kolaps, jehož mechanismus je ukázán na pravé části obrázku 2.4. Pro tento kolaps je typické oddělení dvou osově rotujících struktur, které kolabují v zadní části Venturiho trysky (nejdále ze všech vzorů) na místech označených „PITS“. Střední hodnota plochy pitu je 0,081 mm², který je vytvořen odhadnutým tlakem 142 MPa.

Obrázek 2.3: Testovací část kavitačního tunelu a ukázka vzoru „twister“ a místa vzniku pitů pro tento vzor (upraveno, Dular a Petkovšek, 2015, s povolením autora)

2.2 Vysokorychlostní kavitační tunel

Dalším významným zařízením je vysokorychlostní kavitační tunel, který byl použit při experimentu ke studiu účinku mraku kavitačních bublin v rámci této disertační práce. Tomuto zařízení a rešerši na něm provedeném výzkumu kavitace je proto věnována celá kapitola.

2.3 Ultrazvukový kavitační tester

Další skupinou zařízení generujících kavitační mrak jsou zařízení sloužící pro dlouhodobé testování odolnosti různých materiálů vůči kavitační erozi. Do této skupiny patří ultrazvukový kavitační tester standardizované metody dle normy ASTM G32-16 (2016). Hlavní částí testeru je kmitající trn, který generuje vysokofrekvenční tlakové akustické pole opakujících se maxim a minim tlaku. V minimech dochází ke vzniku kavitace, kterou označujeme jako akustickou kavitaci. Nevýhodou je, že kavitační mrak v tomto případě obsahuje bubliny úzkého intervalu poloměrů a současně buzeného konstantní frekvencí kavitačního trnu. Ve skutečném případě jsou bubliny širšího spektra poloměrů a jsou buzeny různými frekvencemi. Tato metoda zároveň ve svém principu nezahrnuje vliv proudění. Posledním důležitým znakem metody je výskyt kavitačního mraku při určitém nastavení stále v téže pozici. Na obrázku 2.4 vybraného z práce Znidarcice et al. (2014) jsou příklady kavitačního mraku vznikajícího pro různé trny kmitající frekvencí 20 kHz. Na prvních dvou snímcích jsou trny o průměru 3 mm pro plný (a) a poloviční (b) výkon úměrný výchylce trnu a vznikající kavitační mrak. Na dalších dvou navazujících snímcích (Kim et al., 2014) na témže obrázku 2.4 jsou ukázky erozních testů provedených metodou ASTM G32-16. Erozní testy probíhaly na materiálu Al 7075 po dobu 900 minut, první z nich pak na válcovém vzorku průměru 12,7 mm a druhý na destičce (vpravo).

Obrázek 2.4: Mrak kavitačních bublin generovaný ultrazvukovým testerem (Znidarcic et al., 2014) a poškození vzorků vystavených působení ultrazvukového testeru (Kim et al., 2014)

Okada et al. (1995) ukázali korelaci mezi pity a pulzy měřenými piezoelektrickým senzorem pro Venturiho trysku a ultrazvukový vibrační tester. Měření prováděli tlakovým detektorem, jehož výstupem bylo elektrické napětí, odpovídající tlakovému účinku kavitace. Tlakový detektor je znázorněn na levé části obrázku 2.5. Je tvořen testovaným vzorkem (1) vedeným v podpěře (2), která je oddělena od zbývající části detektoru gumovým těsněním (3). Čidlem je piezokeramický disk (5) s rezonanční frekvencí 10 MHz o průměru 3 mm a tloušťce 0,2 mm. Čidlo je dále umístěno mezi měděnou destičkou (4), ke které je připevněn testovaný vzorek, a měděnou reflexní tyči (6); tyto části jsou spojeny šrouby M2. Sestava je uložena v misce z akrylového lepidla.

Prostor mezi miskou a měděnou tyčí je vyplněn epoxydovým lepidlem.

Obrázek 2.5: Tlakový detektor s piezokeramickým čidlem a spektrum sil (Okada et al., 1995) Kalibrace detektoru byla provedena metodou pádu kuličky (bude vysvětleno později) a jeho citlivost pro testovaný měděný vzorek čistoty 99,96 % byla 1,41 N·V^-1. Na základě kalibrace byly určeny síly z naměřených napěťových pulzů od kavitačních kolapsů. Z nich bylo následně vytvořeno spektrum sil, které je znázorněno na pravé straně obrázku 2.5. Jedná se o kumulované spektrum sil, získané za dobu testu 5 minut dvěma metodami, a to ultrazvukovým kavitačním testerem (označeno kroužkem) a ve Venturiho trysce (označeno kroužkem se začerněnou půlkou).

Na svislé ose je uveden kumulovaný počet naměřených událostí (označeno Counts) v závislosti na amplitudě síly pulzu, uvedené na vodorovné ose (Impact load). Maximální naměřená síla byla 30,2 N. Podrobný popis a vysvětlení tohoto diagramu bude následovat v dalších kapitolách této práce.

2.4 Kavitační jet

Dalším testovacím zařízením je „kavitační jet“. Jedná se o proud tekutiny vysokého tlaku, usměrněného přes trysku/clonku, v níž v důsledku poklesu tlaku vzniká kavitační mrak. Tato metoda je standardizovaná v normě ASTM G134-17, ale lze se setkat s celou řadou modifikací částí okruhu testovacího zařízení. Modifikacemi typu jetu, geometrie trysky/clonky, rychlosti proudění apod., ale i modifikací vzdálenosti od trysky/clonky lze dosáhnout velké flexibility nastavení a tím ovládání intenzity kavitace. Takto generovaný kavitační mrak je více podobný kavitačnímu mraku v reálných zařízeních, než mrak generovaný ultrazvukovým kavitačním testerem. Kavitační mrak je hustě tvořen bublinkami různých rozměrů, zahrnuje proudění tekutiny a kolabuje přímo na vloženém vzorku. Na levé části obrázku 2.6 je ukázka z experimentů Soyamy a Asahary (1999), kteří generovali kavitační mrak za tryskou o průměru hrdla d = 0,4 mm. V práci zjišťovali jeho účinek na vzorek uhlíkové oceli označeného „Target“, který byl umístěn v normalizované odstupové vzdálenosti od trysky s/d = 42 (s označuje vzdálenost vzorku od trysky). Tlak před tryskou byl 15 MPa a za tryskou 0,21 MPa, což odpovídalo hodnotě kavitačního čísla 0,014. Na pravé části obrázku 2.6 je ukázka erodované oblasti (velikost kráteru je cca 10 mm), představující erozní test v testovacím zařízení CaviJet na nerezové oceli po dobu 80 minut při nominálním tlaku 40 MPa.

Obrázek 2.6: Kavitační mrak kavitačního jetu (Soyama a Asahara, 1999) a eroze vytvořená zařízením CaviJet (Kim et al., 2014)

Účinek kavitačního mraku generovaného kavitačním jetem podle ASTM G134-95 ve vzdálenosti 10 mm od trysky byl studován Hattorim et al. (2010). Vedle erozních testů provedli i měření účinku kavitačního kolapsu speciálním senzorem. Čidlo bylo tvořeno piezokeramickým kroužkem o průměru 5 mm a tloušťky 0,2 mm, na který byla přilepena z vrchní strany detekční tyč z titanu a ze spodní strany tyč z mědi. Tyto tyče tvořily elektrody, ke kterým byly připevněny elektrické vodiče senzoru. Všechny uvedené části senzoru byly uloženy v akrylové trubičce a zalité epoxydovým lepidlem. Obdobně jako u práce Okady et al. (1995) bylo výstupem elektrické napětí, odpovídající účinku kavitačního kolapsu. Kalibrace senzoru byla provedena metodou pádu

kuličky. Kalibrací získaná citlivost senzoru 2,22 N·V^-1 byla následně využita pro zjištění síly z naměřených napěťových pulzů. V rámci práce Hattoriho et al. (2010) bylo zjištěno kumulované spektrum sil pro několik rychlostí proudění tryskou. Momma a Lichtarowitz (1995) použili pro obdobné měření PVDF senzor (detailnější popis senzoru je uveden v kapitole o kalibraci) a rovněž získali spektrum maximálních sil a spektrum průměrů pitů pro tři režimy kavitačního jetu (80 bar, 100 bar, 120 bar), které jsou uvedeny na obrázku 2.7. V levé části je uvedeno spektrum průměrů pitů v zájmové oblasti, tedy závislost kumulovaného počtu pitů na jednotce plochy milimetru čtverečního za jednotku času (označeno accumulated count) na průměru pitu (diameter). Na pravé části je uvedeno spektrum maximálních sil, tedy závislost kumulovaného počtu maximálních sil na jednotce plochy senzoru o velikosti milimetru čtverečního a za jednotku času na maximální síle (označeno Pulse height). Na základě znalosti těchto spekter se pokusili odhadnout, jak velkou silou byl vytvořen daný pit. Odhad byl založen na sjednocení svislé osy, což lze slovně při pohledu na obrázek 2.8 a šipky určující směr myšlenkového pochodu vyjádřit následovně. Pro pit o průměru 100 µm, který se vyskytuje 0,1 krát na jednom milimetru čtverečním za sekundu, je potřeba maximální síly 47 N, určené ze spektra naměřených sil.

Obrázek 2.7: Spektrum sil a průměrů pitů (Momma a Lichtarowicz, 1995)

2.5 Rotující disk

V menší míře se používá testovací zařízení nazývané rotující disk. Na čele speciálního rotujícího disku jsou umístěny testované vzorky a před každým vzorkem je důlek, který generuje kavitační mrak, způsobující erozi testovaných vzorků. Detailní popis testovacího zařízení lze nalézt v normě ASTM G73-10 2017 (2017). Další podrobnosti uvádí Osterman et al. (2009), z jejichž publikace pochází ukázka upnutí vzorků z čisté mědi a jejich poškození po 220 hodinách, viz obrázek 2.8.

Obrázek 2.8: Ukázka vnitřního disku pro zařízení rotující disk a poškození vzorku z čisté mědi po 220 hodinách (upraveno, Ostreman et al., 2009)

Pozorovací okénko Držáky vzorků

Důlek

Vzorek Kavitační mrak

Kapitola 3

Návrh vlastního řešení

Třetí kapitola podává stručné informace o návrhu vlastního řešení problému v rámci disertační práce. Je zde komentován výběr testovacího zařízení, volba testovací metody a jednotlivé kroky navrženého řešení. Návrh vlastního řešení vychází nejen z provedené rešerše a předchozích zkušeností, ale je do značné míry ovlivněn okolnostmi průběhu studia, kdy se naskytla možnost provádět experimenty ve vysokorychlostním kavitačním tunelu. Návrh vlastního řešení proto vychází zejména z této skutečnosti.

3.1 Výběr testovacího zařízení

Obecným cílem této disertační práce je studium kolapsu kavitačních bublin a jejich struktur v blízkosti povrchů. Nejdříve tak bylo nutné vybrat vhodné zařízení pro generování kavitačních bublin a jejich struktur. Při tom bylo potřeba pamatovat na dostupnost prostoru, ve kterém je kavitace generována. V počátcích bylo zvažováno použít ultrazvukový kavitační tester, který je k dispozici na Katedře energetických zařízení TUL. Kavitační mrak, generovaný ultrazvukovým kavitačním testerem, má ze své podstaty určité nevýhody. Obsahuje totiž bubliny úzkého intervalu poloměrů, které jsou zároveň buzeny pouze konstantní frekvencí kavitačního trnu.

V reálných případech je ale spektrum velikostí bublin širší. Navíc tato metoda ve svém principu nezahrnuje vliv proudění tekutiny. Nejedná se tedy o hydrodynamickou kavitaci, která je někdy nazývána „pravou“ kavitací a při výběru byla preferována. S hydrodynamickou kavitací se

In document Studie kolapsu kavitačních bublin a jejich struktur v blízkosti povrchů (Page 25-0)